Что такое электрический ток
Электрический ток — направленное движение электрически заряженных частиц под воздействием электрического поля . Такими частицами могут являться: в проводниках – электроны , в электролитах – ионы (катионы и анионы), в полупроводниках – электроны и, так называемые, «дырки» («электронно-дырочная проводимость»). Также существует «ток смещения «, протекание которого обусловлено процессом заряда емкости, т.е. изменением разности потенциалов между обкладками. Между обкладками никакого движения частиц не происходит, но ток через конденсатор протекает.
В теории электрических цепей за ток принято считать направленное движение носителей заряда в проводящей среде под действием электрического поля.
Током проводимости (просто током) в теории электрических цепей называют количество электричества, протекающего за единицу времени через поперечное сечение проводника:
где i — ток. А; q = 1,6 · 10 9 — заряд электрона, Кл; t — время, с.
Это выражение справедливо для цепей постоянного тока. Для цепей переменного тока применяют так называемое мгновенное значение тока, равное скорости изменения заряда во времени:
Первым условием длительного существования электрического тока рассматриваемого вида является наличие источника, или генератора, поддерживающего разность потенциалов между носителями зарядов. Второе условие — замкнутость пути. В частности, для существования постоянного тока необходимо наличие замкнутого пути, по которому заряды могут перемещаться внутри контура без изменения их значения.
Как известно, в соответствии с законом сохранения электрических зарядов они не могут создаваться или исчезать. Поэтому, если любой объем пространства, где протекают электрические токи, окружить замкнутой поверхностью, то ток, втекающий в этот объем, должен быть равен току, вытекающему из него.
Замкнутый путь, по которому течет электрический ток, называют цепью электрического тока, или электрической цепью.
Условием создания постоянного тока является замкнутая электрическая цепь.
Электрическая цепь делится на две части: внутреннюю, в которой электрически заряженные частицы движутся против направления электростатических сил, и внешнюю часть, в которой эти частицы движутся в направлении электростатических сил. Концы электродов, к которым подсоединяется внешняя цепь, называются зажимами.
Итак, электрический ток возникает тогда, когда на участке электрической цепи появляется электрическое поле, или разность потенциалов между двумя точками проводника. Разность потенциалов между двумя точками электрической цепи называют напряжением или падением напряжения на этом участке цепи .
Вместо термина «ток» («величина тока») часто применяется термин «сила тока». Однако последний нельзя назвать удачным, так как сила тока не есть какая-либо сила в буквальном смысле этого слова, а только интенсивность движения электрических зарядов в проводнике, количество электричества, проходящего за единицу времени через площадь поперечного сечения проводника.
Ток характеризуется силой тока, которая в системе СИ измеряется в амперах (А), и плотностью тока , которая в системе СИ измеряется в амперах на квадратный метр.
Теперь, когда мы знаем, что такое единица силы тока, мы можем вывести другие единицы, описывающие свойства электричества. В предыдущем тексте говорилось об электрическом заряде и его свойствах.
Один ампер соответствует перемещению через поперечное сечение проводника в течение одной секунды (с) заряда электричества величиной в один кулон (Кл):
В общем случае, обозначив ток буквой i, а заряд q, получим:
Единица тока называется ампер (А) .
Ампер является одной из основных физических единиц для описания физических явлений. Эта единица была названа в честь известного французского математика и физика по имени Андре Мария Ампера (1775 — 1836).
Ампер (А) — сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, создает между этими проводниками 2 · 10 -7 Н на каждый метр длины.
Ток в проводнике равен 1 А, если через поперечное сечение проводника за 1 сек проходит электрический заряд, равный 1 кулон.
Направленное движение электронов в проводнике
Если вдоль проводника действует напряжение, то внутри проводника возникает электрическое поле. При напряженности поля Е на электроны с зарядом е действует сила f = Ее. Величины f и Е векторные. В течение времени свободного пробега электроны приобретают направленное движение наряду с хаотическим.
Каждый электрон имеет отрицательный заряд и получает составляющую скорости, направленную противоположно вектору Е. Упорядоченное движение, характеризуемое некоторой средней скоростью электронов vcp, определяет протекание электрического тока.
Электроны могут иметь направленное движение и в разреженных газах. В электролитах и ионизированных газах протекание тока в основном обусловлено движением ионов. В соответствии с тем, что в электролитах положительно заряженные ионы движутся от положительного полюса к отрицательному, исторически направление тока было принято обратным направлению движения электронов.
За направление тока принимается направление, в котором перемещаются положительно заряженные частицы, т.е. направление, противоположное перемещению электронов.
В теории электрических цепей за направление тока в пассивной цепи (вне источников энергии) взято направление движения положительно заряженных частиц от более высокого потенциала к более низкому. Такое направление было принято в самом начале развития электротехники и противоречит истинному направлению движения носителей заряда — электронов, движущихся в проводящих средах от минуса к плюсу. Подробнее об этом смотрите здесь: Направление электрического тока
Направление электрического тока в электролите и свободных электронов в проводнике
Измерение тока
Измерительные приборы, которые используются для измерения тока, называются амперметрами.
Если мы хотим измерить электрический ток, мы всегда размещаем измерительный прибор последовательно (компоненты, выстроенные в цепи друг за другом) на данном участке цепи. В той части цепи, которую мы измеряем, всегда должна быть нагрузка (например, в виде резистора), чтобы избежать короткого замыкания.
Плотность тока
Электрический ток обычно протекает по всему объему проводника. Однако локально как количество, так и скорость носителей заряда и их направление могут изменяться в проводнике. Для описания локального электрического тока вводится векторная физическая величина плотность электрического тока (сокращенно плотность тока).
Плотность тока — величина, равная отношению тока к площади поперечного сечения S:
При этом предполагается, что ток равномерно распределен по сечению проводника. Плотность тока в проводах обычно измеряется в А/мм 2 .
Электрические токи в природе
Электрические токи встречаются и в природе. Они возникают, например, в земле, и геологи используют их при поисках полезных ископаемых. Сильные электрические токи образуются на высоте в сотни километров над нами, в ионосфере, в верхнем электрически заряженном слое воздуха.
Красивые разноцветные сияния, которые наблюдаются в полярных странах, — это движение заряженных частиц в разреженных газах, т. е. особые электрические токи.
С помощью искусственных спутников и космических ракет советские ученые открыли, что вокруг земного шара, на расстоянии тысяч километров от него, движутся громадные потоки заряженных частиц.
Еще более сильные, гигантские электрические токи возникают на солнце, в его раскаленных газах, которые состоят из заряженных частиц и находятся в бурном движении.
Однако все эти электрические токи в природе значительно отличаются от тех, которые создает и использует в технике человек. Ведь он воздействует на природу, изменяет ее, переделывает и заставляет служить себе.
Токи в земле, в атмосфере или в раскаленных газах солнца текут неупорядоченно, по неправильным извилистым путям, захватывая широкое пространство, растекаясь в разные стороны и рассеивая свою энергию.
Человек же создал упорядоченный электрический ток, движущийся по длинным и узким металлическим проводам, проложенным в определенном нужном направлении. Люди превратили «дикое» природное электричество в «культурное», техническое.
Важные термины и определения
По типу носителей электрических зарядов и среды их перемещения различают токи проводимости и токи смещения . Проводимость делят на электронную и ионную. Для установившихся режимов различают два вида токов: постоянный и переменный.
Электрическим током переноса называют явление переноса электрических зарядов заряженными частицами или телами, движущимися в свободном пространстве. Основным видом электрического тока переноса является движение в пустоте элементарных частиц, обладающих зарядом (движение свободных электронов в электронных лампах), движение свободных ионов в газоразрядных приборах.
Электрическим током смещения (током поляризации) называют упорядоченное движение связанных носителей электрических зарядов. Этот вид тока можно наблюдать в диэлектриках.
Полный электрический ток — скалярная величина, равная сумме электрического тока проводимости, электрического тока переноса и электрического тока смещения сквозь рассматриваемую поверхность.
Постоянным называют ток, который может изменяться по величине, но не изменяет своего знака сколь угодно долгое время. Подробнее об этом читайте здесь: Постоянный ток
Ток намагниченности — постоянный микроскопический (амперовый) ток, являющийся причиной существования собственного магнитного поля намагниченных веществ.
Переменный электрический ток
Переменным называют ток, который периодически изменяется как по величине, так и по знаку. Величиной, характеризующей переменный ток, является частота (в системе СИ измеряется в герцах), в том случае, когда его сила изменяется периодически.
Переменный ток высокой частоты вытесняется на поверхность проводника. Токи высокой частоты применяется в машиностроении для термообработки поверхностей деталей и сварки, в металлургии для плавки металлов. Переменные токи подразделяют на синусоидальные и несинусоидальные . Синусоидальным называют ток, изменяющийся по гармоническому закону:
Скорость изменения переменного тока характеризуется его частотой, определяемой как число полных повторяющихся колебаний в единицу времени. Частота обозначается буквой f и измеряется в герцах (Гц). Так, частота тока в сети 50 Гц соответствует 50 полным колебаниям в секунду. Угловая частота w — скорость изменения тока в радианах в секунду и связана с частотой простым соотношением:
Установившиеся (фиксированные) значения постоянного и переменного токов обозначают прописной буквой I неустановившиеся (мгновенные) значения — буквой i. Условно положительным направлением тока считают направление движения положительных зарядов.
Переменный ток — это ток, который изменяется по закону синуса с течением времени.
Под переменным током также подразумевают ток в обычных одно- и трёхфазных сетях. В этом случае параметры переменного тока изменяются по гармоническому закону.
Поскольку переменный ток изменяется во времени, простые способы решения задач, пригодные для цепей постоянного тока, здесь непосредственно неприменимы. При очень высоких частотах заряды могут совершать колебательное движение — перетекать из одних мест цепи в другие и обратно. При этом, в отличие от цепей постоянного тока, токи в последовательно соединённых проводниках могут оказаться неодинаковыми.
Ёмкости, присутствующие в цепях переменного тока, усиливают этот эффект. Кроме того, при изменении тока сказываются эффекты самоиндукции, которые становятся существенными даже при низких частотах, если используются катушки с большой индуктивностью.
При сравнительно низких частотах цепи переменного тока можно по-прежнему рассчитывать с помощью правил Кирхгофа, которые, однако, необходимо соответствующим образом модифицировать.
Цепь, в которую входят разные резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы, можно рассматривать, как если бы она состояла из обобщённых резистора, конденсатора и катушки индуктивности, соединённых последовательно.
Рассмотрим свойства такой цепи, подключённой к генератору синусоидального переменного тока. Чтобы сформулировать правила, позволяющие рассчитывать цепи переменного тока, нужно найти соотношение между падением напряжения и током для каждого из компонентов такой цепи.
Конденсатор играет совершенно разные роли в цепях переменного и постоянного токов. Если, например, к цепи подключить электрохимический элемент, то конденсатор начнёт заряжаться, пока напряжение на нём не станет равным ЭДС элемента. Затем зарядка прекратится и ток упадёт до нуля.
Если же цепь подключена к генератору переменного тока, то в один полупериод электроны будут вытекать из левой обкладки конденсатора и накапливаться на правой, а в другой — наоборот.
Эти перемещающиеся электроны и представляют собой переменный ток, сила которого одинакова по обе стороны конденсатора. Пока частота переменного тока не очень велика, ток через резистор и катушку индуктивности также одинаков.
В устройствах-потребителях переменного тока переменный ток часто выпрямляется выпрямителями для получения постоянного тока.
Электрический ток в твердых телах
Электрические провода и кабели — это хорошо проводящие пути или каналы, по которым передается и подводится поток электроэнергии.
В развитии электротехники большую роль сыграли материалы, хорошо проводящие ток, — проводники электричества. Ими прежде всего оказались металлы.
Простая, казалось бы, вещь — металлический электрический провод, но он был одним из самых великих изобретений человеческого гения и сыграл громадную, неоценимую роль в развитии электротехники, а значит и техники вообще.
Ведь именно он явился хорошим проводящим путем для электрического тока. Благодаря ему был создан тот упорядоченный электрический ток, который мы применяем в технике.
Является ли твердое вещество после подключения к источнику напряжения будет проводить электричество ток (проводник) или нет (изолятор), зависит от его строения:
- Проводники (металлы) имеют кристаллическую решетку, которая состоит из положительных ионов металлов. Валентные электроны связаны с катионами металлической связью, но она очень слабая. Поэтому валентные электроны могут быть очень легко оторваны. При подключении провода к источнику напряжения движение электронов будет направленным и они будут двигаться от отрицательного к положительному полюсу источника.
- Изоляторы не имеют металлической связи, а валентные электроны связаны в оболочке сильной силой (например, ионной связью).
С точки зрения строения вещества металлы можно представить себе в виде трехмерной решетки, в узлах которой находятся ионизированные атомы, т. е. атомы, от которых оторвалось по одному электрону. Таким образом, решетка металла представляет собой периодическое расположение неподвижных (фиксированных) положительных зарядов, вблизи которых хаотически движутся электроны.
Количество электронов в кристалле примерно равно количеству ионизированных атомов (в 1 см 3 вещества находится примерно 10 23 атомов). Если такой кристалл поместить в электрическое поле, то свободные электроны будут двигаться против направления поля, т. е. через кристалл начнет протекать ток.
Диэлектрик (или изолятор) отличается от металла тем, что в нем почти не содержится свободных электронов, и поэтому через такое вещество электрический ток практически не протекает. Даже нагрев, обычно увеличивающий энергию электронов и способствующий отрыву их от ядер, в диэлектрике приводит лишь к тому, что он плавится, но так и не становится хорошим проводником.
Проводники электрического тока
Электрический ток во всех его проявлениях представляет собой кинетическое явление, аналогичное течению жидкости в замкнутых гидравлических системах. По аналогии процесс движения тока называется «течением» (ток течет).
Материал, в котором течёт ток, называется проводником. Некоторые материалы при низких температурах переходят в состояние сверхпроводимости. В таком состоянии они не оказывают почти никакого сопротивления току, их сопротивление стремится к нулю.
Во всех остальных случаях проводник оказывает сопротивление течению тока и в результате часть энергии электрических частиц превращается в тепло. Силу тока можно рассчитать по закону Ома для участка цепи и закону Ома для полной цепи.
Скорость движения частиц в проводниках зависит от материала проводника, массы и заряда частицы, окружающей температуры, приложенной разности потенциалов и составляет величину, намного меньшую скорости света. Несмотря на это, скорость распространения собственно электрического тока равна скорости света в данной среде, то есть скорости распространения фронта электромагнитной волны.
Электрический ток в газах
Электрический ток в газах вызывается электронами, положительными и отрицательными ионами. При нормальном давлении и температуре газы содержат очень мало свободных электрически заряженных частиц, поэтому они являются очень хорошими изоляторами.
Под действием высокой температуры или излучения (ультрафиолетового, рентгеновского или радиоактивного) из изначально нейтральных молекул газа высвобождаются электроны и образуются положительные ионы. Часть освободившихся электронов захватывается нейтральными молекулами и образует отрицательные ионы. Таким образом, непроводящие газы становятся проводящими газами. Происходит ионизация газа.
Энергия, необходимая для отрыва электрона от нейтрального атома, называется энергией ионизации. Она выражается в электрон-вольтах (эВ).
Если электрон соединяется с положительным ионом или отрицательный ион с положительным ионом в газах, снова образуется нейтральная молекула газа. Мы называем этот процесс рекомбинацией ионов . Проведение электрического тока через газ называется электрическим разрядом в газе.
Как ток влияет на организм человека
Ток, пропущенный через организм человека или животного, может вызвать электрические ожоги, фибрилляцию или смерть. С другой стороны, электрический ток используют в реанимации, для лечения психических заболеваний, особенно депрессии, электростимуляцию определённых областей головного мозга применяют для лечения таких заболеваний, как болезнь Паркинсона и эпилепсия, водитель ритма, стимулирующий сердечную мышцу импульсным током, используют при брадикардии. В организме человека и животных ток используется для передачи нервных импульсов.
По технике безопасности, минимально ощутимый человеком ток составляет 1 мА. Опасным для жизни человека ток становится начиная с силы примерно 0,01 А. Смертельным для человека ток становится начиная с силы примерно 0,1 А. Безопасным считается напряжение менее 42 В.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Что такое ток простыми словами
Можно долго объяснять, что такое электрический ток. Использовать формулы, копировать определения из учебников по физике. Но в этой статье я хочу рассказать, что такое ток простыми словами.
Что такое электрический ток
Давайте представим такую картину:
Две бутылки, соединённые между собой трубой, и кран. Одна бутылка наполнена водой и в трубе летают рыбки.
Труба – это проводник (например, медный провод). Если поглядеть на медный провод под микроскопом, то мы увидим атомы, в состав которых входят электроны. А роль электронов будут выполнять наши рыбки, которые летают в трубе (т.е. хаотично движутся). И рыбки никуда целенаправленно не передвигаются, они летают как им угодно.
А теперь давайте откроем кран и посмотрим, что будет. В результате вода из одной бутылки будет перетекать в другую (принцип сообщающихся сосудов) и будет уносить наших рыбок, а это уже целенаправленное движение.
Что представляет собой ток
Перейдём к определению, что такое электрический ток!
Электрический ток – это направленное движение электрически заряженных частиц (в нашем случае это-рыбки) под воздействием электрического поля (в нашем случае это вода).
Что такое сила тока
Вернёмся к нашим рыбкам!
Чем больше рыбок за одну секунду будет проносить вода в трубе, тем больше будет сила!
В результате нашего опыта получаем определение:
Сила тока – это количество электричества (в нашем случае рыбки), проходящее через поперечное сечение проводника (в нашем случае труба) за одну секунду!
Закон Ома
Из этой статьи вы поняли, что является электрическим током. Но как же нам вычислить силу тока.
Вы видите формулу, по которой вычисляется ток для участка цепи.
Чтобы вычислить силу тока, необходимо напряжение разделить на сопротивление.
Дорогие читатели, подписывайтесь на обновления блога и в следующих статьях я расскажу, что такое напряжение и сопротивление!
Что такое ток и напряжение простыми словами
Электрическое напряжение: объяснение простыми словами
Электрическим напряжением обозначается физическая величина, равная разности потенциалов между двумя точками электрического поля при перемещении единичного заряда. Для простых пользователь такое обозначение не всегда понятно. Поэтому в этой статье мы попытаемся простым, доступным языком рассказать, что собой представляет электрическое напряжение, как оно измеряется и для чего это нужно.
Что такое разность потенциалов?
Для начала проанализируем рисунок:
В первой бутылке вода находится на уровне 300 мм, а во второй – на отметке 150 мм. Разница между уровнями воды в обоих емкостях составляет 150 мм. Если рассматривать это с точки зрения науки об электричестве, это и есть разность потенциалов.
Однако, что будет, если соединить обе бутылки шлангом, а внутрь поместить обычный пластиковый шарик?
Из школьного урока физики о принципе соединяющихся сосудах знаем, что из бутылки, где уровень воды больше, жидкость постепенно перетечет в бутылку с более низким уровнем. Под воздействием потока воды шарик внутри соединяющего шланга будет перемещаться. Процесс перетекания завершится после того, как в обоих бутылках уровень жидкости уравновесится, станет одинаковым.
Иными словами, в ситуации, когда в соединенных между собой емкостях уровень жидкости станет одинаковым, результатом разности потенциалов станет ноль. Шарик останется на месте за счет электродвижущей силы, которая, по итогам эксперимента, равна нулю.
Что такое электродвижущая сила?
Аналогично напряжению, единицей измерения электродвижущей силы (ЭДС) является Вольт.
Для проведения следующего эксперимента понадобится вольтметр (прибор, измеряющий вольты) и обычная батарейка.
При исходном замере прибор покажет 1.5 В (Вольта). Однако это не является напряжением – значение указывает на величину электродвижущей силы.
На следующем этапе эксперимента к батарейке подключаются две лампочки. А напряжение измеряется в разных участках электроцепи.
Внимание следует уделить следующим показателям: напряжение для одной лампочки составляет 1 Вольт, для другой же это значение 0.3 Вольта.
Напряжение в используемых нами осветительных устройствах напрямую зависит от их мощности, измеряемой в Ваттах.
Мощность=Напряжение*ток (Р=U*I)
Из этого следует, что чем больше будет значение мощности лампы, тем большее напряжение будет на ней.
Однако, как же получается: если мощность батарейки 1.5 Вольта, к которой подключены лампочки, разделена на 1 Вольт и 0.3 Вольта, куда направились еще 0.2 Вольта? Дело в том, что каждая батарейка наделена своим внутренним сопротивлением, поэтому недостающие 0.2 Вольта были направлены именно сюда.
Резюме
Электродвижущей силой определена физическая величина, характеризующая в источниках тока работу сторонних силовых ресурсов. Посредством электродвижущей силы мы можем определять, как переносится заряд от источника тока по всей электрической цепи. Напряжение показывает этот процесс лишь на отдельном участке этой цепи. Если проще: напряжение – это внешнее силовое воздействие, способствующее перемещению шарика в шланге, соединяющим сосуды из выше приведенного примера. В электричестве напряжение обозначено силой, которая обеспечивает перемещение электронов между атомами.
Рассмотрим еще один пример
Представьте, что вам по силам будет поднять камень, вес которого составляет 40 кг. Это означает, что вы обладаете подъемной силой, равной 40 кг – в электричестве это обозначается как электродвижущая сила. Вы следуете и на своем пути вам попадается камень весом 20 кг. Вы его также берете и переносите на расстояние 10 метров. Для осуществления этого действия вам понадобилось определенное количество энергии, что в электричестве представляется как напряжение. Далее вам попадается камень весом в 30 кг. Следовательно, для его переноса из одного места в другое вам понадобится больше энергии, чем для камня, масса которого не превышала 20 кг. Однако подъемная сила (в электричестве ЭДС), независимо от веса переносимого вами камня, остается всегда одинаковой. При этом, вес камня определяет количество энергии, которая тратится на проведение этого действия (в электричестве это обозначено напряжением). Таким образом, на каждом отрезке вашего пути вы будете испытывать разное напряжение в зависимости от веса камня, который вы намерены перенести.
Ток зависит от напряжения
Исходя из приведенной формулы следует: ток является прямо пропорциональным напряжению и обратно пропорциональным сопротивлению. Иными словами, чем больше величина электрического тока, тем больше напряжение, и наоборот.
Электрический ток
Нам известно, что телу можно сообщить заряд. Если не прикасаться после этого к телу, то полученный заряд будет оставаться на этом теле, то есть, перемещаться не будет.
Но если заставить заряд двигаться, можно наблюдать интересные явления. Потому, что именно движущиеся заряды создают:
- выполнение работы электрическими двигателями;
- выделение тепла в электрических нагревательных приборах;
- свечение ламп накаливания.
Рис. 1. Что происходит благодаря движению зарядов
Скорость теплового движения свободных электронов
Нам известно, что общий заряд тела состоит из большого количества элементарных зарядов.
К примеру, в твердых телах положительные заряды – это ядра атомов, или ионы. А отрицательные – это электроны.
А в жидкостях или газах – положительные и отрицательные заряды – это ионы.
Примечание: Ион – атом, у которого присутствует избыток электронов, либо наоборот, электронов меньше, чем в нейтральном атоме.
Рассмотрим твердый проводник, в нем присутствуют свободные заряды. Это такие электроны, которые оторвались от своего атома и свободно путешествуют по всему объему проводника.
Рис. 2. Отличия свободных и связанных электронов в проводнике
Примечание: Проводник – это тело, в котором много свободных электронов.
Как известно из молекулярно-кинетической теории (МКТ), мельчайшие частицы вещества находятся в непрерывном движении. Это движение возникает под действием температуры, поэтому, его часто называют тепловым. Такое движение беспорядочное, то есть — хаотическое.
Рис. 3. Под действием температуры свободные заряды беспорядочно движутся
Рассчитаем, с какой скоростью электроны в проводнике беспорядочно перемещаются под действием температуры.
Для этого воспользуемся формулой среднеквадратичной скорости частиц из молекулярной физики:
Подставим в формулу такие числовые значения:
\(\large T = 300 \left( K\right)\) – комнатная температура +27 градусов Цельсия;
\(\large k = 1,38 \cdot 10^ \left( \frac>\right) \) – постоянная Больцмана;
\(\large m = 9,1 \cdot 10^ \left(\text\right) \) – масса электрона;
После расчетов получим скорость, примерно равную
Как видите, это очень большая скорость, более 100 километров в секунду.
Рис. 4. Скорость свободных электронов в меди
Примечание: Физики свободные электроны в проводнике рассматривают, как частицы идеального газа. Его так и называют – электронный газ.
Однако, еще раз подчеркну, что тепловое движение – хаотическое. С помощью такого движения электрический ток не создать. Потому, что ток – это направленное движение зарядов.
Что такое электрический ток
Электрический ток – это направленное движение электрических зарядов.
В металлических проводниках движутся отрицательные заряды — электроны.
А в других проводниках, например, в жидких электролитах, направленно могут двигаться положительные и отрицательные ионы.
Внутри полупроводников заряд переносят электроны и дырки.
Примечание: Дырка – это псевдочастица, вакантное место для электрона. Она имеет положительный заряд, ее можно рассматривать, как пузырек, находящийся в электронном газе.
Рис. 5. В различных средах электрический ток создают такие заряды
Мы видим, что электрический ток может создаваться движением, как положительных частиц, так и отрицательных.
При этом, положительные частицы будут притягиваться к отрицательному полюсу источника тока и двигаться по цепи к нему.
А отрицательные частицы будут притягиваться и двигаться к положительному полюсу источника тока.
Примечание: Чтобы определить направление движения заряженных частиц, можно воспользоваться аналогией с течением воды: Заряды, как вода, движутся оттуда, где их много, туда, где их мало. На заре изучения электричества считали, что во время протекания тока в телах протекает некая электрическая жидкость. Поэтому для электрического тока применяется аналогия с течением воды. Позже выяснилось, что никакой электрической жидкости в телах нет.
Если заряды движутся направленно, значит, и ток будет иметь направление.
Куда направлен ток
Как выбрать направление электрического тока? На движение каких частиц – положительных, или отрицательных, ориентироваться? Оказывается, направление тока — это условный выбор.
Физики договорились, что направление электрического тока совпадает с направлением движения положительных зарядов. Значит, ток направлен от «+» к «-» выводу источника тока.
Пусть, известно направление вектора напряженности \(\large \vec \) электрического поля. Чтобы определить направление тока, нужно считать, что в этом поле движутся положительно заряженные частицы.
Положительные заряды будут двигаться по направлению вектора \(\large \vec \), а отрицательные – навстречу вектору.
Рис. 6. Куда направлен ток
Примечание: В металлах электроны движутся от минуса к плюсу, а ток направлен от плюса к минусу
Рис. 7. Направление движения зарядов и вектора напряженности электрического поля
Примечание: Наличие направленного движения зарядов можно определить косвенно. Протекая по проводнику, ток воздействует на этот проводник. Известны тепловое, химическое, или магнитное действие тока.
Чем больше ток, то есть, чем он сильнее, тем более заметно его действие.
Что такое поперечное сечение проводника
Электрический ток – это направленно движущиеся по проводнику свободные заряды. Его можно определить, когда известно количество заряженных частиц, прошедших через проводник.
Проводник может быть достаточно длинным. Поэтому неудобно учитывать заряды, находящиеся во всей длине проводника.
Чтобы было проще посчитать количество зарядов, на проводнике выбирают точку в любом удобном месте.
Через эту точку мысленно проводят плоскость, располагая ее перпендикулярно по отношению к проводнику. Так как эта плоскость в проводнике ограничивает собой площадь S, ее часто называют площадью поперечного сечения проводника.
Для вычисления силы тока, ведут подсчет зарядов, прошедших через это сечение.
Как рассчитать площадь сечения
Проводник будем считать круглой трубкой, по аналогии с трубой, по которой течет жидкость. Пользуясь этой аналогией, так же, примем, что внутри такой трубки будут двигаться заряды, они обозначены кружками на рисунке.
Рис. 8. Что такое поперечное сечение
Выделим на трубе какую-либо точку. Мысленно отрежем кусок трубы, проводя разрез перпендикулярно. Стенки трубки в месте отреза являются границей круга.
Площадь полученного круга можно вычислить по такой геометрической формуле:
\[\large \boxed < S_= \pi \cdot \frac> = \pi \cdot R^ >\]
\(\large S_ \left( \text^ \right)\) – площадь круга;
\(\large \pi \approx 3,14\) – число Пи;
\(\large D \left(\text\right)\) – диаметр круга;
\(\large R \left(\text\right)\) – радиус круга;
Проводник может иметь не только цилиндрическую форму. Промышленность изготавливает металлические проводники, имеющие квадратное, прямоугольное, треугольное или какое-либо другое сечение. Понятно, что площади таких сечений нужно рассчитывать, пользуясь другими геометрическими формулами.
Сила тока по определению
Силу тока (ток) обозначают большой латинской буквой \(\large I\).
Постоянный ток можно рассматривать, как равномерное направленное движение заряженных частиц. Равномерное – значит, с одной и той же скоростью.
Если же ток изменяется, то будет изменяться и скорость движения зарядов.
- физическая величина;
- отношение заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника к длительности промежутка времени, в течение которого заряд проходил.
Ток равен заряду, прошедшему через поперечное сечение проводника за одну секунду.
Для постоянного тока используем формулу:
\(\large I \left(A\right)\) – ток (сила тока) в Амперах;
\(\large \Delta q \left( \text\right) \) – заряд в Кулонах, прошедший через поперечное сечение проводника;
\(\large \Delta t \left( c\right) \) – промежуток (кусочек) времени, в течение которого заряд прошел;
Если электрический ток не изменяется ни по величине, ни по направлению, то его называют постоянным.
Если хотя бы одна из характеристик изменяется, ток называют переменным. Он будет различным в разные моменты времени. Если задано уравнение, описывающее, как изменяется заряд, то для вычисления такого тока удобно пользоваться производной.
Исключаем путаницу с понятием силы
В физике исторически сложилось использование таких терминов, как
- сила тока,
- электродвижущая сила,
- лошадиная сила.
Эти единицы измерения имеют в своем названии слово «сила». Из механики известно, что сила – величина векторная, измеряется в Ньютонах. Однако, пусть это не вводит вас в заблуждение.
Ни одна из описанных величин не измеряется в Ньютонах. Перечисленные величины имеют другие единицы измерения:
- силу тока измеряют в Амперах,
- электродвижущую силу – в Вольтах,
- а лошадиная сила – это единица измерения мощности, ее можно перевести в Ватты в системе СИ.
Чтобы исключить путаницу, вместо термина «сила тока», можно употреблять слово «ток». Сравните выражения: «Силу тока измеряют в Амперах» и «ток измеряют в Амперах».
Как видно, вполне можно обойтись словом «ток», вместо «силы тока». Смысл от этого не изменится.
Что такое 1 Ампер в системе СИ
Сила тока в 1 Ампер была определена в системе СИ с помощью силы взаимного действия двух проводников с током.
Рассмотрим два тонких проводника (рис. 9). Каждый проводник имеет бесконечную длину. Расположим их в вакууме параллельно на расстоянии 1 метр один от другого.
Рис. 9. Эталон силы тока 1 ампер в системе СИ
Выделим на каждом проводнике кусочек длиной 1 метр.
Если проводники взаимодействуют с силой \(\large 2 \cdot 10^ \) Ньютона, приходящейся на каждый метр их длины, то по каждому из них течет постоянный ток 1 Ампер.
Ампер – это основная единица в системе СИ. А заряд Кулон – величина, определяемая с помощью Ампера.
1 Кулон – это заряд, проходящий за 1 секунду через поперечное сечение проводника с током 1 Ампер.
Один Ампер – много это, или мало
1 Ампер это 1 Кулон деленный на 1 секунду. Для большинства бытовых электроприборов это достаточно большая сила тока.
Например, через энергосберегающие лампы протекают токи 0,04 — 0,08 Ампера.
Большой плоский телевизор от электроосветительной сети потребляет ток 0,2 Ампера.
Лампа накаливания –примерно 0,5 Ампера.
Как видно, большинство электроприборов потребляют токи менее одного Ампера.
Поэтому, для тока часто применяют дольные единицы измерения:
миллиамперы, микроамперы, и наноамперы:
1мА (миллиампер)= 10⁻³ А
1мкА (микроампер) = 10⁻⁶ А
1нА (наноампер) = 10⁻ 9 А
Ток зарядки аккумулятора мобильного телефона может достигать 2 Ампер.
А через электрический обогреватель, или электрочайник, протекает ток силой до 10 Ампер.
Примечание: Ток силой всего 0,05 А может привести к летальному исходу. Будьте осторожны с электричеством!
В то же время, используют и токи, превышающие сотни Ампер. Например, на промышленных электростанциях.
Для таких токов применяют кратные единицы: килоампер, мегаампер.
1КА (килоампер)= 10³ А
1МА (мегаампер) = 10⁶ А
Связь между силой тока и скоростью движения зарядов
Рассмотрим металлический проводник. Мысленно выделим в нем два сечения площадью \(\large S \) на некотором расстоянии \(\large \Delta x\) одно от другого. Сечения располагаются поперечно проводнику.
В металлах электрический ток создается электронами. Обозначим \(\large e_\) заряд каждого электрона.
Рис. 10. Свободные заряды в объеме проводника
Заряды в проводнике, под действием электрического поля напряженностью \(\large \vec \) будут двигаться сонаправленно, от сечения к сечению.
При этом, они будут проходить путь \(\large \Delta x\) между двумя сечениями.
Если ток постоянный, то скорость движения зарядов изменяться не будет.
В таком случае, расстояние \(\large \Delta x\) и скорость \(\large v\) движения электронов будут связаны формулой равномерного движения.
\[\large \Delta x = v \cdot \Delta t\]
\(\large \Delta x \left( \text\right) \) – расстояние между двумя поперечными сечениями;
\(\large v \left( \frac>\right) \) – скорость, с которой сонаправленно движутся заряды в проводнике; Эта скорость значительно меньше скорости теплового движения.
\(\large \Delta t \left( c \right) \) – интервал времени, за который пройдено расстояние \(\large \Delta x\) между двумя поперечными сечениями;
Выразим из этой формулы время движения:
Это выражение нам понадобится далее.
Сечения \(\large S \) и расстояние между ними \(\large \Delta x\) образуют в проводнике цилиндрический объем:
\[\large V = S \cdot \Delta x\]
\(\large V \left( \text^\right) \) – объем цилиндра;
В этом объеме содержится определенное количество электронов. Обозначим это количество: \(\large N \) штук.
Количество штук \(\large N \), расположенное в объеме \(\large V\), называют концентрацией:
\(\large n \left( \frac>^>\right) \) – концентрация зарядов в объеме;
Найдем общий заряд всех заряженных частиц, расположенных в объеме \(\large V\) между двумя поперечными сечениями:
\[\large \Delta q = e_ \cdot N\]
Умножим правую часть уравнения на единицу, которую представим в виде дроби \(\displaystyle \frac\), в которой \(\large V\) – это рассматриваемый объем. Тогда полный заряд можно записать в таком виде:
\[\large \Delta q = e_ \cdot N \cdot 1 = e_ \cdot N \cdot \frac\]
Числитель V дроби и количество N частиц поменяем местами.
\[\large \Delta q = e_ \cdot V \cdot \frac\]
Подставим в эту формулу выражение для объема:
\[\large \Delta q = e_ \cdot S \cdot \Delta x \cdot \frac\]
Дробь в правой части заменим символом «n» концентрации:
\[\large \Delta q = e_ \cdot S \cdot \Delta x \cdot n\]
Средняя скорость совместного направленного движения зарядов \(\large v\).
Применим определение силы тока:
Подставим в это выражение формулу для общего заряда, прошедшего через сечение проводника:
\[\large I = \frac = \frac \cdot S \cdot \Delta x \cdot n> \]
Выражение для удобства можно переписать так:
\[\large I = e_ \cdot S \cdot \Delta x \cdot n\cdot \frac \]
Мы заранее выразили время \(\large \Delta t \):
Найдем для него обратную величину:
Подставим ее в формулу для тока:
\[\large I = e_ \cdot S \cdot \Delta x \cdot n \cdot \frac \]
Расстояние \(\Delta x\) находится в числителе и в знаменателе, оно сократится. Окончательно получим выражение для связи между силой тока и скоростью движения зарядов:
\[\large \boxed \cdot S \cdot n \cdot >\]
Теперь можно утверждать, что
- чем больше зарядов помещаются в объеме,
- чем быстрее они сонаправленно двигаются
- и, чем толще проводник (чем больше площадь поперечного сечения),
Расчет скорости направленного движения электронов
Для этого можно использовать полученную формулу:
\[\large I = e_ \cdot S \cdot n \cdot \]
Из нее можно выразить скорость:
\[\large \boxed \cdot S \cdot n> = v>\]
Чтобы найти скорость, с которой электроны движутся в проводнике, нужно: ток (I) разделить на заряд (е) электрона, концентрацию (n) электронов и площади сечения проводника (S).
Большинство соединительных проводников изготавливают из меди, или алюминия. Выберем медный проводник, имеющий цилиндрическую форму.
Площадь поперечного сечения выберем равной 1 миллиметру в квадрате:
\[\large S = 10^ \left( \text^\right) \]
Число атомов в объеме – концентрация, связано с плотностью вещества (ссылка). Для меди концентрацию атомов вычислить несложно. Она
равна концентрации электронов.
Примечание: Каждый атом меди отдает один из своих валентных электронов и, он превращается в свободный электрон. Поэтому, количество свободных электронов, находящихся в выбранном объеме меди будет равно количеству атомов в этом объеме.
Заряд электрона известен:
\[\large e_ = 1,6 \cdot 10^ \left(\text\right) \]
Предположим, в проводнике протекает ток силой 1 Ампер.
Тогда, скорость движения электронов:
\[\large v = 7 \cdot 10^ \left( \frac>\right) \]
Это меньше, чем 0,1 мм в секунду.
Рис. 11. Электроны в меди направленно двигаются медленно
Скорость распространения электрического поля и скорость движения зарядов — в чем различия
Нужно различать скорость, с которой распространяется электрическое поле, при подключении к проводнику источника тока и скорость движения заряженных частиц в проводнике.
Скорость, с которой распространяется электрическое поле напряженностью \(\large \vec\) – равна скорости света:
\[\large c = 3 \cdot 10^ \left( \frac> \right)\]
А скорость направленного движения зарядов значительно меньше — менее 0,1 мм в секунду.
Рис. 12. Заряды одновременно участвуют в двух движениях
Примечание: В качестве скорости направленного движения свободных зарядов, выбирают среднее значение скорости, с которой перемещаются заряды во время протекания тока. Ее, так же, называют скоростью дрейфа.
В то же время, при комнатной температуре скорость беспорядочного теплового движения электронов немногим более 100 километров в секунду.
То есть, заряды быстро движутся хаотично, но при этом, они согласованно и достаточно медленно передвигаются в определенном направлении.
Такое движение можно сравнить с движением потока муравьев на лесной тропе. Каждый муравей в потоке движется хаотично. Но при этом, весь поток движется согласованно в выбранную сторону.
Рис. 13. Движение муравьев и движение зарядов во время протекания электрического тока можно сравнить
Пользуясь аналогией из окружающей природы, движение заряженных частиц во время протекания электрического тока можно сравнить с движением муравьев.
Каждая частица движется хаотически под действием температуры и одновременно с этим, все частицы смещаются в одном направлении в общем потоке под действием электрического поля.
Условия существования постоянного тока
Напомню, что ток называют постоянным, если его сила не изменяется со временем.
Для обозначения постоянного тока математики используют такую сокращенную запись:
Чтобы ток мог существовать, нужно, чтобы выполнялись несколько условий.
Рис. 14. Чтобы ток существовал, нужно, чтобы выполнялись такие условия
Нужно, чтобы между телами, заряженными противоположно, непрерывно существовало электрическое поле. Так же, в цепи должны присутствовать свободные носители заряда. А сама электрическая цепь должна быть замкнутой.
Рассмотрим эти условия подробнее.
Создаем кратковременный ток и выясняем условия его существования
Можно создать электрический ток с помощью двух заряженных противоположно тел.
Ток – это движение зарядов. Поэтому, нужно обеспечить возможность зарядам двигаться. То есть, нужно создать между телами дорожку, по которой заряды начнут перемещаться из одного места пространства в другое.
Продемонстрировать возникновение тока на небольшой промежуток времени можно с помощью двух электрометров, заряженных противоположно.
Попробуем для начала соединить два заряженных тела куском диэлектрика (рис. 15).
Рис. 15. Если диэлектриком соединить два заряженных тела, электрический ток не возникает
Как видно, после соединения заряд каждого из электрометров не изменился.
Это значит, что ток не возник. Дело в том, что в диэлектрике все электроны связаны со своими атомами и свободных электронов нет.
Именно свободные заряды будут передвигаться и их согласованное направленное движение мы назовем электрическим током.
Поэтому, одним из условий существования тока будет наличие свободных зарядов. То есть, наличие проводника, содержащего такие заряды.
Условие 1. Чтобы ток существовал, требуется наличие свободных зарядов.
Однако, только лишь наличия проводника недостаточно. Действительно, в проводнике присутствуют свободные заряды. Но для того, чтобы эти заряды начали совместное движение в определенную сторону, нужно, чтобы на них подействовала сила, которая будет их передвигать в этом направлении.
Сила будет действовать на заряженную частицу, если ее поместить в электрическом поле.
Электрическое поле существует в пространстве вокруг заряженных тел.
Если соединить проводником два тела, имеющие противоположные заряды, то на свободные частицы в проводнике будет действовать электрическое поле. Это поле подхватит заставит двигаться электроны в определенном направлении.
Поэтому, еще одно условие для возникновения тока – это электрическое поле.
Рис. 16. После соединения проводником, заряженные противоположными зарядами электрометры разрядились
Условие 2. Чтобы ток существовал, требуется наличие электрического поля.
Рис. 17. Электроны двигаются против направления электрического поля
Ток течет в направлении движения положительных зарядов.
Соединив два заряженных металлических тела проводником, мы получим ток лишь на короткий промежуток времени. Это время будет составлять доли секунды.
Кроме того, в начальный момент времени сила тока будет самой большой. А далее будет убывать по мере того, как тела будут разряжаться и их потенциалы (ссылка) будут выравниваться.
Мы же хотим, чтобы ток протекал постоянно, или, по крайней мере, достаточно длительный промежуток времени, выбранный по нашему усмотрению. И чтобы во время протекания тока его сила не изменялась.
Как этого добиться? Мы вплотную приблизились к третьему условию существования постоянного электрического тока.
Как создать длительный ток и что для этого необходимо
Положительный заряд – это недостаток электронов, а отрицательный – это их избыток. В момент соединения тел проводником, отрицательные электроны устремились к положительно заряженному телу.
А в конце ток прекратился потому, что заряды тел скомпенсировались и тела превратились в электрически нейтральные. Нам известно, что нейтральные тела электрическое поле не создают.
Значит, ток существует до тех пор, пока существует электрическое поле. Поэтому, нужно каким-либо образом поддерживать электрическое поле. А для этого нужно, чтобы одно из тел обладало избыточным отрицательным зарядом. То есть, нужно поддерживать на одном из тел отрицательный, а на другом – положительный заряд. Пока заряды тел будут поддерживаться, ток будет существовать.
Чтобы на теле с положительным зарядом поддерживать этот заряд, нужно убирать с этого тела прибежавшие туда электроны и отправлять их обратно на отрицательно заряженное тело.
Такая схема по своему устройству напоминает фонтан, в котором насос поддерживает разность давлений. В нагнетающей воду трубе давление больше, чем в трубе, через которую вода поступает обратно в насос.
Рис. 18. Поток воды циркулирует благодаря насосу, поддерживающему разность давлений
Именно благодаря этой разности, из одной трубы вода выплескивается вверх, а собранная в чашу вода попадает обратно в насос. При этом, по контуру циркулирует одно и то же количество воды, то есть, водяной контур замкнут. А ток воды в этом контуре поддерживается специальным устройством – насосом. Он совершает работу против силы тяжести.
Рис. 19. Водяной насос в фонтане совершает работу против силы тяжести
Сторонние силы — что это такое
Подобно своеобразному насосу устроен источник тока. Внутри источника действуют сторонние силы. Они возвращают электроны на «-» контакт.
На заряды в электрическом поле будет действовать сила. Она называется силой Кулона и имеет электрическую природу. Электроны будут притягиваться к телу, имеющему положительный заряд.
Сила Кулона будет мешать возвращать электроны на отрицательное тело. Подобно силе тяжести, которая мешает воде в фонтане двигаться вверх.
Чтобы вернуть электроны на отрицательно («-») заряженное тело, нужно совершить работу против силы Кулона. Значит, должна присутствовать какая-то внешняя сила, возвращающая электроны на отрицательно («-») заряженное тело. Эта сила имеет неэлектрическую природу, она называется сторонней силой.
Рис. 20. Источник тока совершает работу против электрической силы Кулона
Теперь можно ответить на вопрос: Что такое источник тока?
Источник тока — это устройство, внутри которого сторонние силы перемещают заряды против сил Кулона. Сила Кулона – это сила, с которой электростатическое поле действует на заряд.
Во время существования электрического тока сами электроны не расходуются. Они, как вода в фонтане, циркулируют по замкнутой траектории.
Условие 3. Чтобы ток существовал длительно, электрическое поле нужно долговременно поддерживать.
Чтобы ток существовал постоянно, нужно, чтобы между заряженными противоположно телами электрическое поле существовало непрерывно.
Примечание: В качестве заряженных противоположно тел можно рассматривать контакты источника тока.
Для этого электроны нужно пропустить по замкнутому контуру, т. е. непрерывной электрической цепи. Поэтому, еще одно условие существования постоянного тока – это замкнутая электрическая цепь. Как только замыкается цепь, в направленное движение приходят все заряженные частицы, находящиеся в этой цепи.
Условие 4. Чтобы ток существовал, требуется, чтобы электрическая цепь была замкнутой.
Рис. 21. Электрический ток источник может создать только в замкнутой цепи
В такой цепи заряды циркулируют по замкнутой траектории. То есть, заряд, вышедший из источника и совершивший полный оборот, попадет обратно в источник тока. Там он будет подхвачен сторонними силами и через противоположный вывод источника тока попадает обратно в цепь. Затем, будет двигаться далее и, совершит следующий круг. Поэтому, во время протекания электрического тока сами заряды не расходуются.
Во время протекания электрического тока заряды не расходуются. То есть, по замкнутой цепи двигаются одни и те же заряды. Совершив круг, они попадают в источник и, выходя из противоположного его вывода направляются обратно в цепь.
Нам известно, если на заряд действует сила и, под действием этой силы заряд перемещается, то эта сила совершает работу.
Это значит, что сторонние силы в источнике совершают работу. Подробнее о работе сторонних сил (ссылка).